生活垃圾厭氧消化產沼氣的工藝優化與能源利用

摘要：為提高生活垃圾資源化利用率，對生活垃圾厭氧消化產沼氣的工藝優化與能源利用進行研究。以貴州省貴陽市餐廚垃圾為研究對象，首先介紹了餐廚垃圾的組成及特性；然后闡述了濕式厭氧消化技術的工藝流程與系統優化；最后說明了沼氣的高效利用方向。

關鍵詞：生活垃圾；厭氧消化；沼氣；工藝優化；能源利用；餐廚垃圾

餐廚垃圾是生活垃圾中的重要組成部分，主要包括在餐飲消費與服務環節中產生的邊角料、剩余飯菜、食物殘渣及動植物油脂的混合物等[1]。我國城市化步伐的加快和居民生活質量的提升，使得餐飲行業蓬勃發展，但隨之而來的，還有食品浪費現象的愈發嚴重，這導致了餐廚垃圾數量激增，并逐漸演變為城市環境面臨的主要污染源之一[2]。據相關統計數據顯示，我國每年產生的餐廚垃圾量已接近1億噸。這類垃圾富含有機物質，含水量高，易于生物降解，且易產生異味，對其采用合適的處理技術尤為重要[3]。

目前，餐廚垃圾的處理技術主要分為堆肥法、飼料化法、厭氧消化法3大類，其中厭氧消化技術在我國得到了最為廣泛的應用。該技術利用厭氧微生物在無氧環境下將餐廚垃圾中的食物殘渣轉化為甲烷、氫氣等小分子物質，如此一來，不但達到了廢物處理的目的，而且轉化后的物質還可作為能源進行燃燒或發電，實現了資源回收和能源再利用。本文將基于實際案例，深入探究餐廚垃圾處理的厭氧消化工藝，以期為相關領域的研究與實踐提供有價值的參考。

1 餐廚垃圾組成及特性分析

餐廚垃圾的類別很多，且在不同地區、不同季節，其成分也有很大差異。為了深入探究餐廚垃圾的具體成分，確保數據的準確性和全面性，需要采取一種長期且持續的跟蹤調查方法。本項目選取貴州省貴陽市的餐廚垃圾作為研究樣本，進行了全面細致的類別組成和化學成分分析，具體結果如表1、表2所示。

2 濕式厭氧消化技術概述與工藝流程

2.1 濕式厭氧消化技術概述

厭氧消化技術作為實現餐廚垃圾資源化的重要一環，其核心功能在于將餐廚垃圾中的有機物質轉化為可燃燒的氣體——沼氣，該技術在處理餐廚垃圾的過程中起著舉足輕重的作用[4]。根據發酵原料的固化程度，厭氧消化技術主要分為干式和濕式2種類型。我國餐廚垃圾普遍具有高水分和高油脂含量的特點，濕式厭氧技術在此類垃圾處理中顯示出更高的適應性。

濕式厭氧消化技術有著多種不同的操作方法，主要包括全混法、接觸厭氧和兩相消化法等。同時，根據操作溫度的不同，濕式厭氧消化技術還可分為中溫、高溫及不加熱式厭氧消化。本項目采用的是中溫濕性厭氧消化技術，這一技術能在適中的溫度下有效處理餐廚垃圾，將其轉化為有價值的沼氣資源，從而推動餐廚垃圾的資源化利用。

2.2 濕式厭氧消化工藝流程

本項目采用的餐廚垃圾處理系統包括預處理系統、厭氧消化系統和沼氣利用系統，主要結構如圖1所示。

預處理時，在接料進料后進行分選，將不同類別的垃圾分離出來；對可處理的部分進行破碎，細化其顆粒大小，隨后進行制漿，將破碎后的垃圾轉化為8mm以下粒徑的漿料；通過高效的接料裝置對漿料進行初步處理。

處理后，液態原料被輸送至混合槽內，進行溫度和成分的精細調節，確保混合的均勻性；混合后的原料通過提升泵被準確地輸送至厭氧發酵槽中，進行厭氧消化過程，將有機物質轉化為沼氣；厭氧消化后產生的沼渣被送往專業的焚燒廠進行無害化處理，而沼液則被送往基地內的滲瀝液廠進行深度處理，確保對環境的影響最小化。

厭氧消化過程中產生的沼氣通過沼氣鍋爐轉化為蒸汽，一部分用于工廠內部供暖，保障生產環境的舒適度，另一部分則通過專門的發電設備轉化為電能，為工廠提供穩定的電力支持。同時，配備沼氣燃燒火炬，以應對可能出現的沼氣過剩或需要緊急處理的情況。

整個處理流程高效、環保，不僅實現了餐廚垃圾的資源化利用，還為工廠提供了可持續的能源供應。

3 濕式厭氧消化工藝預處理系統優化

本項目預處理系統工藝流程如圖2所示。將餐廚垃圾送入收料斗，收料斗內設有可瀝水、初篩物料的雙螺旋供料機；隨后物料被運送至自動分揀系統，將大部分餐廚垃圾中的雜質清除干凈；物料經自動分選、打漿處理后即成漿，再經加熱使其固液分離；把分離出來的材料送至油回收提純系統，實現98%以上的毛油回收純凈度；輸入精煉液體處理后，運出雜質、廢渣進行處理。

預處理后的餐廚垃圾及物料性質如表3所示。

4 濕式厭氧消化工藝厭氧消化系統優化

本項目采用全混合厭氧反應器（CSTR）中溫發酵工藝，厭氧消化系統工藝流程如圖3所示。

在厭氧消化系統中，CSTR展現出卓越的微生物生長環境，其微生物濃度顯著，能夠輕松應對各種沖擊負荷。CSTR采用了一種創新的雙折邊咬合槽成型工藝，顯著縮短了施工周期，其罐體采用抗腐蝕的碳鋼防腐材料，確保了設備的長期穩定運行[5]。為了優化攪拌效果，CSTR配備了“雙漿葉”設計的高效節能攪拌機，這一設計有效解決了渣土積聚和結殼等問題，確保了物料在反應器內的均勻混合。CSTR還采用了獨特的專利技術水封設計，這一設計不僅保證了氣密性，還避免了傳統機械密封容易損壞和需要更換的困擾。同時，CSTR實現了低能耗運行，其體積設計小于5W·m-3，有效節約了空間和能源。另外，厭氧循環系統是CSTR的一大亮點，通過物料的循環利用，該系統能夠顯著提高微生物濃度，從而增強CSTR的容積負荷能力和抗沖擊負荷能力，該系統由出料裝置、微生物分離裝置、微生物富集裝置和回流裝置等關鍵部件組成，形成了一個完整的循環體系。

本項目相關厭氧罐結構如圖4所示，濕式厭氧消化工藝參數如表4所示。

5 沼氣能源的高效利用

5.1 沼氣利用系統介紹

沼氣利用系統的基本組成和功能如圖5所示，其可將沼氣轉化為熱能和電能。

5.2 沼氣能源利用的優化策略

5.2.1 脫硫處理

硫化物的主要成分是硅化氫，通常情況下采用物理、化學、生物3種方法進行脫硫處理。物理吸附是一種操作簡單便捷的常用脫硫方法，其缺點是設備占地較大，需定期更換吸附耗材；化學方法是指通過化學反應進行硫固化，其按照反應物的物理狀態分成干、濕2種方式；生物方法是一種新穎的脫硫技術，指以硫化物為養料，培養適宜的菌種固定住硫。

5.2.2 氣柜穩壓

為了維持厭氧消化罐內沼氣壓力的穩定性，并確保罐內沼氣產生速率與發電機組對沼氣的消耗速率之間達到一個和諧的平衡，本項目特別引入了容積達1000m3的雙膜氣柜。該氣柜能在2.5kPa的工作壓力下穩定運行，并具備20kPa的最大氣柜壓力承受能力。該氣柜材質選用了一種防腐、防火、抗紫外線的環保膜，不但具有出色的耐用性，而且抗拉強度超過5000N/5cm，確保其在各種環境下的安全可靠性[6]。該氣柜配備了先進的顯示屏幕，能夠實時顯示燃氣容積，讓操作人員隨時了解燃氣使用情況，同時還設置了報警停機信號，當氣柜內沼氣壓力或容積出現異常時，能夠迅速發出警報并自動停機，進一步增強了系統的安全性和穩定性。

5.2.3 壓力調節

發動機對進氣壓力和溫度的要求較高，不穩定的壓力會對發動機的進氣系統造成影響，壓力過大或過小均有可能造成熄火的情況發生。因此，要滿足發動機的進氣需求，需要安裝相應的壓力平衡裝置。通過盡量減少厭氧沼氣的出口壓力，達到在保證電機功率降低的同時又能滿足發電機要求的效果，并且節省運行成本，既保證安全性又提高經濟性。本項目要求發電機組進口壓力在10～35kPa之間，通過對發電量的監測和利用PLC控制變頻器對風機轉速的調節，來保證發電機組的運行需要始終得到滿足。

5.2.4 過濾除塵

過濾除塵指在一定范圍內，通過過濾方式來限制顆粒的產生。為使顆粒符合系統要求，通常需要采用多種精度過濾器進行過濾處理，對于氣體中的微粒，還需進行分級處理。這一做法既能減少精密濾鏡的費用，又能改善系統操作的穩定性。本項目在系統入口設置了初步去除液態水的除濕濾清器，將大顆粒雜質進行過濾和清除，從而對后續設備起到保護作用；同時將高精度過濾器用于系統出口，以有效去除微小雜質，從而滿足發電機組對進風質量的要求。

5.2.5 火炬聯調焚燒

為提升環境效益，本項目在發動機組維護期間，針對過剩沼氣，特別引入了封閉式沼氣火炬系統進行焚燒處理。處理沼氣時遵循3個原則，一是確保發電機組的正常運作所需沼氣；二是將多余沼氣引導至火炬進行焚燒；三是將處理后的氣體安全釋放至大氣中。火炬系統對于符合清潔發展機制項目需求的重要參數，如沼氣流量、壓力、溫度、甲烷濃度、煙氣溫度等，均能在線同步監控并記錄在案。同時，火炬系統配備分頻羅茨風機來提供所需空氣，并與沼氣處理系統實現聯動控制，可在最大化發電效益的同時保障項目的整體經濟效益。

6 結束語

目前，餐廚垃圾處理正朝著規模化、集約化、產業化的方向發展，在相關政策的推動和處理技術的改進下，形成了垃圾處理與資源化利用的產業鏈。在技術選擇方面，需要綜合考慮垃圾的物理、化學特性及產量等；而在技術應用當中，需要從全局角度去把控各個工藝系統之間的和諧統一，從而將技術的優點充分發揮出來。展望未來，應敢于接納和利用新技術，并積極推動新技術的發展，從而在充分挖掘餐廚垃圾資源寶藏的同時，真正實現綠色循環經濟和可持續發展。

參考文獻

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[2]薛玲.農村有機生活垃圾生物處理和資源化利用初步研究——以房干村為例（碩士論文）[D].濟南：山東大學，2018.

[3]王星，劉曉蘭.餐廚垃圾兩相厭氧消化小試工藝研究[J].可持續能源，2017，7（4）：69-77.

[4]趙麗英，鄭釗，王亞，等.餐廚垃圾與香根草聯合厭氧發酵產沼氣工藝優化[J].新疆農業大學學報，2017，40（6）：424-433.

[5]呂東.餐廚垃圾兩相厭氧產酸相工段啟動環境及產甲烷相消化工藝優化研究（碩士論文）[D].北京：北京化工大學，2017.

[6]劉家燕，趙爽，姜偉立，等.餐廚垃圾厭氧消化處理技術工程應用[J].環境科技，2016，29（5）：43-46.

作者簡介

聶多文（1981—），男，漢族，貴州貴陽人，工程師，大學本科，主要從事生態環境監測工作。

加工編輯：王玥

收稿日期：2024-05-11